Hybrid nanophotonic elements and sensing devices based on photonic crystal structures

Abstract

Die vorliegende Forschungsarbeit widmet sich der Entwicklung und Untersuchung neuartiger photonischer Kristallstrukuren für Anwendungen in den Gebieten der Nanophotonik und Optofluidik. Dabei konzentriert sich eine erste Serie von Experimenten auf die Charakterisierung und Optimierung photonischer Kristallresonatoren im sichtbaren Spektralbereich, wobei bisher unerreichte Resonatorgüten von bis zu 3400 gezeigt werden können. Diese Strukturen werden anschließend als Plattformen zur Herstellung von hybriden nanophotonischen Bauelementen verwendet, indem externe Partikel (wie z.B. Diamant-Nanokristalle und Metall-Nanopartikel) in kontrollierter Art und Weise an die Resonatoren gekoppelt werden. Zu diesem Zweck wird eine Nanomanipulationsmethode entwickelt, welche Rastersonden zur gezielten Positionierung und Anordnung von Partikeln auf den photonischen Kristallstrukturen benutzt. Verschiedene Arten solcher Hybridelemente werden realisiert und untersucht, einschließlich diamant-gekoppelter Resonatoren, plasmon-gekoppelter Resonatoren und Metall-Diamant Hybridstrukturen. Außer für Anwendungen auf dem Gebiet der Nanophotonik werden verschiedene photonische Kristallstrukturen auch hinsichtlich ihres Leistungsvermögens als biochemische Sensorelemente erforscht. Zum ersten Mal wird eine umfassende numerische Analyse der optischen Kräfte auf Objekte im Nahfeld photonischer Kristallresonatoren durchgeführt, welche neue Möglichkeiten zum Einfang sowie zur Detektion und Untersuchung biologischer Partikel in integrierten optofluidischen Bauteilen bieten. Weiterhin werden unterschiedliche photonische Kristallfasern bezüglich ihrer Detektionssensitivität in Absorptions- und Fluoreszenzmessungen untersucht, wobei sich eine klare Überlegenheit von selektiv befüllten Hohlkern-Designs im Vergleich zu Festkern-Fasern offenbart.

This thesis deals with the development and investigation of novel photonic crystal structures for applications in nanophotonics and optofluidics. Thereby, a first series of experiments focuses on the characterization and optimization of photonic crystal cavities in the visible wavelength range, demonstrating unprecedented cavity quality factors of up to 3400. These structures are subsequently employed as platforms for the creation of advanced hybrid nanophotonic elements by coupling external particles (such as diamond nanocrystals and metal nanoparticles) to the cavities in a well-controlled manner. For this purpose, a nanomanipulation method is developed, utilizing scanning probes for the deterministic positioning and assembly of particles on the photonic crystal structures. Various types of such hybrid elements are realized and investigated, including diamond-coupled cavities, plasmon-coupled cavities, and metal-diamond hybrid structures. Apart from applications in nanophotonics, different types of photonic crystal structures are also studied with regard to their performance as biochemical sensing elements. For the first time a thorough numerical analysis of the optical forces exerted on objects in the near-field of photonic crystal cavities is conducted, providing novel means to trap, detect, and investigate biological particles in integrated optofluidic devices. Furthermore, various types of photonic crystal fibers are studied with regard to their detection sensitivity in absorption and fluorescence measurements, revealing a clear superiority of selectively infiltrated hollow-core designs in comparison to solid-core fibers.